Pełna treść artykułu jest dostępna dla zarejestrowanych użytkowników.

Akumulatory litowe

19.9.2018, , Źródło: Wydawnictwo Verlag Dashofer Sp. z o.o.

Ogniwa litowe

Szybki rozwój półprzewodników i miniaturyzacja urządzeń elektronicznych stworzyły zapotrzebowanie na ogniwa o szczególnych właściwościach – zwłaszcza o zwiększonej pojemności i mocy. Związane są z tym poszukiwania nowych materiałów aktywnych katodowych i anodowych złożonych z pierwiastków o niskiej masie anodowej, co pozwoliłoby na zwiększenie tzw. pojemności właściwej ogniw tzn. stosunku zgromadzonej w ogniwie energii do jego masy (Wh/kg). Takim materiałem anodowym okazał się bardzo aktywny chemicznie lit (Li), który jest najlżejszym metalem o ciężarze właściwym mniejszym prawie o połowę od wody. Lit ma ujemny potencjał standardowy (ca -3,0V) i dużą elektryczną pojemność właściwą (3860 Ah/kg).Właściwości fizyczne litu przedstawione są w tabeli 7.

Tabela 7. Właściwości fizyczne litu

Wielkość   Wartość  
Masa atomowa [u]   6,94  
Temperatura topnienia [oC]   180,5  
Temperatura wrzenia [oC]   1347,0  
Gęstość [g/cm3 ]   0,534  
Ciepło parowania [kJ/mol]   147,1  
Rezystywność [Ωcm]   9,446 ∙10-6 

Lit z powodu silnych metalicznych właściwości gwałtownie redukuje wodę z wydzieleniem znacznych ilości wodoru. Właściwość ta powoduje, że w ogniwach z litowymi anodami zamiast roztworów wodnych stosowane są wyłącznie roztwory niewodne tzw aprotyczne czyli rozpuszczalniki bierne, nie mające właściwości kwasowo zasadowych nie reagujące z rozpuszczonymi w nich kwasami lub zasadami. Są to zazwyczaj rozpuszczalniki organiczne nieprzewodzące, do których w celu uzyskania przewodnictwa elektrycznego dodaje się materiały przewodzące, np. sole litu. W tabeli 8 przedstawione są właściwości wybranych rozpuszczalników stosowanych jako elektrolity w ogniwach litowych.

Tabela 8. Właściwości wybranych rozpuszczalników stosowanych jako elektrolity w ogniwach litowych

Rozpuszczalnik(elektrolit)  Temperatura topnienia [oC]  Temperatura wrzenia [oC]  Temperatura zapłonu [oC]  Gąstość [g.cm-3 ]  
Acetonitryl   45,7  82  5,0  0,79  
γ-Butylolaktan  -43,0  202,0  99,0  1,13  
1,2 Dimetoksyloetan  -58,0  83,0  1,0  0,86  
Dimetylosulfotlenek  18,5  189,0  95,0  1,10  
Dioksolan  -95,0  78,0  2,0  1,06  
Mrówczan metylu  -99,0  32,0  19,0  0,97  
Nitro metan  -29,0  101,0  35,0  1,13  
Siarczyn dimetylu  -141,0  126,0   -  1,20  
Tetrahydrofuran  -65,0  65,0  -15,0  0,88  
Węglan propylenu  -49,0  241,0  135,0  1,19  

Katodą mogą być związki stałe, ciekłe lub rozpuszczone w elektrolicie podstawowym, tzw. ciekłe katody.

Lit jest metalem alkalicznym ciągliwym kowalnym twardszym od innych metali alkalicznych. Jest bardziej miękki niż ołów. Przy odpowiednim ciśnieniu ma skłonność tworzenia stopów z innymi metalami. W obecności wilgoci jego gładka błyszcząca powierzchnia szarzeje, a nawet czernieje w wyniku tworzenia się związków z tlenem i azotem. Przy niskiej wilgotności poniżej 2% w temperaturze 20oC przez wiele godzin nie występują zmiany na jego powierzchni. Do montażu ogniw litowych stosowane są tzw. „suche boksy“ czyli pojemniki przeznaczone do pracy w atmosferze beztlenowej i pozbawionej wilgoci. Przechowywanie litu jest mniej niebezpieczne niż innych matali alkalicznych. Metal ten nie ulega samorzutnemu gwałtownemu zapaleniu. Mimo to trzeba w postępowaniu z nim zachowywać podstawowe środki bezpieczeństwa.

Baterie z anodą litową są klasyfikowane w zależności od rodzaju materiału katody na trzy grupy:

  • związki z pomijalną rozpuszczalnością w elektrolicie – CuO, FeS, MnO2 , AgCrO4

  • rozpuszczalne w elektrolicie lub ciekłe reagenty katodowe, które są podstawą elektrolitu; jedynym przykładem katodowego reagenta rozpuszczalnego w elektrolicie jest tu dwutlenek siarki (SO2). Jako ciekłe reagenty katodowe są stosowane – chlorek tri orylu (SOCl2 , chlorek sulfurylu (SO2Cl2 i chlorek fosforylu (POCl3

  • z katodą stałą, np. PbI2 , PbS ze stałym polimerowym elektrolitem.

Najbardziej rozpowszechnione są ogniwa litowe grupy pierwszej.

Akumulatory litowe

Aby odwracalne ogniwo litowe w pełni sprostało stawianym mu wymaganiom powinno spełniać następujące warunki:

  • mieć znaczną energię właściwą – powyżej 150 Wh/kg oraz 400 Wh/ dm3,

  • pojedyncze ogniwo powinno mieć podczas pracy wysokie napięcie 3-4V,

  • odporność na dużą liczbę cykli ładowania/rozładowania (ponad 500)

  • zachować trwałość po długim okresie przechowywania (ponad 5 lat)

  • prawidłowo działać w szerokim zakresie temperatur ( co najmniej -30 do 60oC)

Obecnie produkowane akumulatory litowe mają o wiele lepsze parametry niż stawiane im pierwotnie wymagania.

Akumulatory litowo – jonowe

Układ elektrochemiczny ogniwa litowo – jonowego przedstawia się następująco:

(+) Li | elektrolit organiczny | C (-)

Gdzie litera M oznacza metal bazowy, elektrody: C – kobalt, N – nikiel, M – mangan, V – wanad, T – tytan.

W akumulatorach litowo jonowych (Li-Ion) materiały elektrodowe są nanoszone na bardzo cienkie folie miedziane i aluminiowe. Elektrody oddzielone są separatorem. Elektrolitem są złożone chemicznie sole litowe rozpuszczone w mieszaninie organicznych rozpuszczalników. Napięcie tego rodzaju ogniw wynosi 3,3 V/ogn do 3,8 V/ogn. Technologia ta pozwala na zgromadzenie dwa razy więcej energii niż w akumulatorach Ni-MH o tym samym ciężarze i wielkości. Efekty pamięci i leniwej baterii nie występują. Akumulatory litowo – jonowe mają szczelne obudowy zawierające elektroniczne układy kontrolne. Pracują w szerokim zakresie temperatur od -20oC do +80oC. Mają jedną z największych mocy właściwych, w zaklezności od konstrukcji dochodzą one do 10 000 W/kg oraz energię właściwą okło 180 Wh/kg. Charakteryzują się dużą niezawodnością i cyklicznością ładowanie/rozładowanie ponad 1000 cykli przy 100% głębokości rozładowania.

Konstrukcja akumulatorów litowo-jonowych stosowanych w pojazdach mechanicznych znacznie się różni od konstrukcji takich samych ogniw zasilających urządzenia elektroniczne. Różnice spowodowane są przede wszystkim większymi wymaganiami trwałości – do 10 lat. Pakiety ogniw wyposażone są w urządzenia do ogrzewania i chłodzenia zapewniające optymalną temperaturę pracy. Ogniwa litowo-jonowe używane w pojazdach mechanicznych mogą być szybko ładowane zazwyczaj od 0 do 80% pojemności w czasie 15 do 30 minut bez wpływu na ich trwałość. Akumulatory litowo –jonowe są również stosowane jako stacjonarne zasobniki energii w odnawialnych źródłach energii, charakteryzujących się znaczną niestabilnością pracy.

W przeciwieństwie do akumulatorów Ni-Cd i Ni-MH akumulatory litowo-jonowe powinny być ładowane często i jak najszybciej po rozładowaniu. Jeżeli jednak nie przewiduje się ich dalszego uzytkowania w najbliższym czaie powinny pozostać rozładowane do około 40% pojemności. W takim stanie akumulator ma znacznie dłuższą żywotność. Przechowywany w stanie całkowitego rozładowania może ulec uszkodzeniu. Akumulatory tego typu nie wymagają formowania. Należy unikać pełnego ich rozładowania, np. w laptopach, czy telefonach komórkowych. Akumulator powinien być przechowywany w chłodnym miejscu lecz nie na mrozie. Przechowywanie w wysokich temperaturach przyspiesza proces starzenia.

Baterie litowo-jonowe muszą być ładowane dwu fazowo:

 

Używamy plików cookie, żeby ciągle poprawiać jakość witryny.
Dowiedz się więcej.